управляющий сигнал

В 1996 году физики задались вопросом: сколько шума может выдержать квантовый канал, прежде чем перестанет передавать информацию? Представьте телефонный разговор, в котором каждое третье слово заменяется случайным шумом — смысл ещё можно уловить. До какого уровня помех собеседник поймёт сообщение?

Горсть монет падает на стол — орёл и решка ложатся как попало. Так же выглядит мгновенный снимок квантовой цепочки: в одних местах частица есть, в других нет. Но за беспорядком прячется строгий угол. В работе взяли цепочку из частиц, замкнутую в кольцо. Её поделили на четыре дуги: две измерили, две оставили нетронутыми. По занятым и пустым местам в измеренных дугах вычислили угол δL.

Одиночный атом эрбия, закреплённый на серебряной подложке, хранит квантовую информацию в своём спине — собственном моменте импульса электрона, который можно представить как внутреннее вращение. До недавнего времени для переворота этого спина требовался магнитный импульс — грубый инструмент, который воздействует на соседние атомы и работает медленно.

Капля воды на стекле дрожит и переливается — кажется, она живёт своей жизнью. Похожее поведение теперь можно увидеть в мире коллоидов — микроскопических частиц, взвешенных в жидкости. Исследователи смоделировали на компьютере частицы, которые выделяют химические сигналы. Эти сигналы, подобно запахам в воздухе, распространяются вокруг и заставляют соседей либо сближаться, либо отдаляться.

Горячий кофе иногда замерзает быстрее, чем холодная вода из-под крана. Этот парадокс, известный как эффект Мпембы, долго считали курьёзом классической физики. Теперь его квантовый аналог помог проверить и откалибровать квантовые процессоры — устройства, которые в будущем станут основой сверхмощных компьютеров.

Сверхпроводящий кубит — базовый элемент квантового процессора — сравним с капризным музыкальным инструментом: пока его не настроишь, чистой ноты не жди. Но даже после настройки звук плывёт. Виновники деградации квантового состояния — микроскопические дефекты в материале, известные физикам как двухуровневые системы (ДУС).

Два танцора на сцене должны двигаться безупречно синхронно, но стоит одному замешкаться — и весь номер испорчен. Примерно так работают квантовые компьютеры на нейтральных атомах: два атома запутывают, переводя в ридберговское состояние (огромное, как воздушный шар по сравнению с обычным атомом), и ждут, пока они «станцуют» свою партию.

Вы стоите под душем: поворачиваете вентиль, а вода — то ледяная, то обжигающая. Трубы живут собственной жизнью: давление скачет непредсказуемо, словно капризный оркестр без дирижёра.

Обычные атомные часы напоминают камертон, который нужно держать в идеальной тишине и покое. Малейшее движение — и нота плывёт. Так и с атомами: их тепловое движение сдвигает частоту излучения, и сверхточные часы требуют почти полной остановки частиц. Это сложно, дорого и громоздко.

Живая клетка непрерывно испускает слабые магнитные сигналы – словно ведёт беззвучный шёпот. Учёные подслушивают этот шёпот с помощью двух микроскопических «микрофонов» – датчиков магнитного поля. Один создан природой (белок), другой – рукотворная алмазная пылинка с изъяном (чистый углерод), который и превращает её в антенну.

Создать узел квантовой сети — всё равно что научить танцора балансировать на углеродной нити над пропастью. Одна нога должна легко отрываться от опоры, метая фотоны-вестники во внешний мир. Другая — намертво цепляться за канат, храня драгоценную квантовую информацию.

Калибровка квантового процессора — монотонный труд, требующий ювелирной точности: необходимо спектроскопически откалибровать каждый кубит — квантовый бит, элементарную вычислительную ячейку, — подобно тому как часовщик настраивает десятки шестерёнок, добиваясь идеального хода механизма.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант — кубит — должен играть свою партию точно и вовремя. Обычно музыкантов рассаживают на фиксированные места и соединяют проводами-пультами. Но что, если позволить им свободно передвигаться по сцене, а само движение превратить в часть музыки?

Маятник, который качается сам по себе, без всякого завода, — в квантовом мире такие «маятники» называют кристаллами времени. В них ритмичное движение возникает спонтанно и не затухает. Но до сих пор управлять этим ритмом было почти невозможно: любое вмешательство грозило разрушить хрупкий порядок.

Три гитарные струны на одном инструменте, но колки у каждой вращаются с разным усилием: одна поддаётся сразу, другую крутишь с трудом, а третья и вовсе заедает. Примерно так выглядит работа с кремниевыми квантовыми точками — крошечными островками-кубитами, где каждый требует своего электрического «напряжения-колка», чтобы правильно звучать.

Свет в своей природе симметричен: в открытом канале он распространяется в обоих направлениях с одинаковой интенсивностью. Чтобы заставить его двигаться преимущественно в одну сторону, физики традиционно прибегают к помощи магнитных полей.

Передача энергии при фотосинтезе напоминает детскую горку: она прогибается под весом одного ребёнка, изменяя траекторию для следующего.

Квантовые биты — кубиты — можно сравнить с хрупкой музыкой, исполняемой посреди шумного цеха. Магнитные поля, неизбежно присутствующие в окружении, постоянно «глушат» их квантовое состояние, превращая упорядоченный сигнал в какофонию.

Атом — как дирижёр, а свет в резонаторе — оркестр. Обмен энергией между ними, известный как взаимодействие Джейнса–Каммингса (часть Стандартной модели), позволяет атому взмахами «палочки» менять ритм и тембр колебаний.

В 1948 году инженер Клод Шеннон заложил основы теории информации. Теорема Найквиста–Шеннона дала первый ответ: чтобы не потерять сигнал, измерений должно быть вдвое больше, чем самая быстрая его деталь. В 2006 году метод сжатого зондирования (compressed sensing) ослабил это требование.

Если долго и плавно нести чашку с кофе по комнате, а потом вернуться на то же место, с напитком ничего не случится. Но в квантовом мире всё иначе: частица, совершившая такой же круг, возвращается не совсем той же. Она приобретает неуловимый «довесок» — геометрическую фазу, которую физики называют фазой Берри. Эта добавка зависит только от формы маршрута, а не от времени в пути.

Квантовые компьютеры в облаке напоминают почтовое отделение: вы отправляете письмо, и кто-то чужой читает адрес и содержимое. В обычных вычислениях сервер видит ваши данные и алгоритм. А слепые квантовые вычисления — это конверт, который нельзя вскрыть: сервер выполняет работу, но не знает, что именно делает.

Радиоприёмник ловит передачу сквозь треск и шипение. Примерно так работают современные квантовые компьютеры: полезный сигнал тонет в шуме. Чем дольше идёт вычисление, тем сильнее помехи искажают результат.

Ряды проводов, тянущихся из тёплой комнаты в холодильник с квантовым чипом, напоминают запутанный телефонный узел прошлого века. Каждый кубит требовал своего аналогового канала для точной настройки, а кабели несли лишнее тепло и путались под руками. Теперь исследователи поставили цифро-аналоговый преобразователь прямо в холодную зону, рядом с кубитами.

Крошечные магнитики внутри атомов — ядерные спины — в холодном кристалле могут «застыть» на долгие минуты. Это мешает быстрой настройке квантовых датчиков: слишком медленно всё приходит в нужное состояние. Физики нашли способ подтолкнуть их светом.

Квантовая запутанность похожа на невидимую паутину, которая связывает частицы, даже если их разнести далеко друг от друга. В больших системах — например, в кусочке материала — эта паутина может либо быстро оплетать все атомы, либо запутываться в клубок и оставаться на месте. Первый случай называют квантовым хаосом, второй — локализацией.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант должен играть свою партию идеально, иначе мелодия рассыплется. Раньше для управления кубитами — квантовыми «музыкантами» — требовалась целая комната оборудования, и каждый лишний провод добавлял шума.

Судья заходит в зал, но не смотрит на улики — он сразу выносит приговор. Так работает новый квантовый датчик: он не измеряет сигнал, а сразу решает, к какому классу тот относится. В обычном квантовом зондировании всё как в детективе: сначала собирают улики (измеряют сигнал), потом анализируют.

В ускорителе Фермилаба пучок частиц бьёт по мишени из замороженного аммиака. Ядра водорода в нём — как крошечные волчки, и физикам нужно, чтобы все они крутились в одну сторону. Тогда столкновения расскажут, как устроен спин протона.

Квантовые компьютеры обещают решать задачи, которые обычным не по силам. Но их детали — квантовые биты — очень чувствительны. Один из вариантов таких битов — колебательный контур, который может находиться в двух состояниях, как маятник, качающийся влево или вправо. Эти состояния и хранят информацию.

Современный датчик в больнице похож на чуткий микрофон в шумном зале. Он ловит слабый сигнал от сердца или мозга, но вместе с ним — гул аппаратов, шаги, дыхание соседей. Отделить нужный звук от помех — отдельная наука. Квантовые датчики обещают слышать то, что обычным не под силу, но и они пока тонут в шуме. Авторы статьи раскладывают такие датчики по ступеням.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, но стоит дирижёру взмахнуть палочкой чуть сильнее — и тончайшие инструменты расстраиваются от лишнего тепла. Управлять кубитами при температуре 10 мК (в 300 раз холоднее морозилки) — всё равно что дирижировать оркестром в ледяном зале, где даже дыхание может всё испортить.

Квантовый магнитометр на основе ядер водорода работает по принципу, напоминающему наушники с активным шумоподавлением. Он попеременно «слушает» магнитное поле двумя разными способами: шум для них одинаков, а полезный сигнал различен. Вычитая одно из другого, прибор выделяет сигнал, ослабляя помехи более чем в 1000 раз.

Квантовый бит, или кубит, — фундаментальная единица квантовой информации — подобен едва различимому шёпоту в море голосов. Обычный усилитель делает этот шёпот громче, но вместе с ним усиливает и хаотичный гул, маскируя суть. Физики разработали устройство, порождающее два идентичных сигнала-шёпота на разных частотах — оригинал и его эхо.

Искусственный интеллект освоил дирижирование квантовым оркестром. Инструменты здесь — сверхпроводящие цепи, искусственные атомы, охлаждённые до температур ниже, чем в межзвёздном пространстве. Такой ИИ-дирижёр не просто исполняет заданные партитуры, а проектирует и проводит целые экспериментальные композиции, создавая ноты на лету.

Квантовый компьютер на спинах электронов похож на ряд крошечных волчков. Каждый волчок крутится либо по часовой, либо против — это и есть кубит. Чтобы узнать результат вычисления, волчок обычно останавливают и смотрят, куда он упал. Но если волчков много, на каждый нужен отдельный «глаз» — лишний кубит-помощник.

Квантовый компьютер в лаборатории похож на оркестр: лазеры играют роль смычков, а ионы — струн. Чтобы сыграть нужную мелодию, на лазеры подают мощные радиосигналы — они задают ритм и высоту. Но часть этой «музыки» выходит за пределы сцены.

Магнит на холодильнике притягивает скрепку — это поле мы чувствуем руками. А теперь уменьшите это поле в миллиард раз. Такие слабые сигналы испускают атомы внутри нашего тела, и их очень трудно поймать. Учёные собрали датчик из особых молекул, которые сами ведут себя как крошечные магнитики.

Крошечный алмаз висит в воздухе, удерживаемый электрическим полем, как пылинка в луче света. Внутри него спрятаны дефекты — места, где атом углерода заменён азотом, а рядом пустота. Эти дефекты ведут себя как магнитики, которые можно переворачивать лазером и микроволнами. Когда магнитики переворачиваются, они слегка толкают алмаз. Толчок крошечный — как если бы муравей дунул на футбольный мяч.

Свет входит в крошечную полость с зеркальными стенками и попадает на атом эрбия, спрятанный в кристалле. Атом поглощает свет и перебрасывает своё ядро в другое состояние — как тумблер, который щёлкает от нажатия. Но тумблер этот не обычный: он живёт по законам квантового мира и может находиться в двух положениях одновременно.